Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Přehled mechanických vlastností nepálené hlíny

Ing. arch. Lenka Bažíková, VUT v Brně, Fakulta architektury, Ústav stavitelství

Recenzovaný

Mechanické vlastnosti nepálené hlíny jako stavebního materiálu se intenzivně zkoumají posledních padesát let a během této doby bylo provedeno za účelem jejich zjištění tisíce zkoušek. Podle typu použití nepálené hlíny ve stavebnictví, ať už jako dusané zdi, cihly nebo omítky, se připravují různé hliněné směsi. U každé hliněné směsi záleží na obsahu jílových minerálů (a jejich typu), plniva, vody a přísad. Podle typu použití hlíny lze provést řadu testů pro zjištění jejich mechanických vlastností. Článek pojednává o jednotlivých mechanických vlastnostech, jejich zkouškách a mezních hodnotách. Mezi tyto vlastnosti patří pevnost v tlaku, pevnost v tahu, pevnost v tahu za ohybu, modul pružnosti, vaznost, pevnost hliněné malty, odolnost proti oděru a nárazová síla rohů.

1. Úvod

Jedním z problémů hliněného staviva je nedostatek standardizovaných kritérií, podle kterých by bylo možné jej objektivně zhodnotit. To hraje negativní roli například při rozhodování o použití nepálené hlíny pro nosné konstrukce budov. [1] V posledních desetiletích byla provedena řada testů pro zjištění pevnostních a přetvárných vlastností tohoto materiálu. Hodnoty se však značně liší v závislosti na technologii výstavby – omítky, dusané zdi, nepálené cihly atd. a také podle typu jílovitých minerálů, velikosti zrn a přítomnosti přísad. Článek přináší přehled o základních mechanických vlastnostech hliněného staviva a hodnotách zjištěných při zkouškách prováděných především na evropském kontinentu.

2. Jílovité minerály

Obr. 1 Kaolinit, illit, montmorillonit [2]

Nepálená hlína používaná ve stavebnictví se skládá z jílovité hlíny, písku a kameniva. Hlína vzniká erozí hornin zemské kůry a její složení a vlastnosti závisí především na místních podmínkách. Zatímco štěrkovitá hlína z hor (s obsahem jílovitých minerálů) je vhodná pro dusané zdivo, jemnozrnná jílovitá hlína u břehů řek má naopak nižší odolnost vůči povětrnostním vlivům a menší pevnost v tlaku. Základní tři složky hlíny se dělí podle velikosti zrn na písek (0,05–2 mm), prach (0,006–0,05 mm) a jíl (menší než 0,006 mm), přičemž právě jílovité minerály jsou pojivem pro větší částice. Podle toho, která složka převažuje, dělíme hlíny na písčité, prachovité a jílovité. Jíl je produktem eroze živce a dalších minerálů. Pokud se během eroze rozpustí sloučeniny draslíku, vytvoří se jíl zvaný kaolinit. Dalším běžným jílovitým minerálem je montmorillonit. Existuje také řada méně běžných jílovitých minerálů, jako je illit. Struktura těchto minerálů je patrná na obr. 1.

Obr. 2 Tetraedr s křemíkovým jádrem, oktaedr s hliníkovým jádrem [2]

Obr. 3 Vazba hydroxidu hlinitého a oxidu křemičitého [2]

Jílovité minerály mají šestihrannou lamelární krystalickou strukturu. Tyto lamely se skládají z vrstev, které se tvoří kolem jader křemíku nebo hliníku. V případě křemíku jsou obklopeny kyslíkem; v případě hliníku hydroxylovými skupinami (obr. 2).

Vrstvy oxidu křemičitého mají nejsilnější záporný náboj, který jim dává vysokou interlamelární vazebnou sílu (obr. 3). Každá vrstva oxidu křemičitého je vždy spojenou s vrstvou hydroxidu hlinitého. Například kaolinit je jen dvouvrstevnatý, má tedy nízkou kapacitu navázání částic. Zatímco u třívrstvého minerálu montmorillonitu je vždy jedna vrstva hydroxidu hlinitého vložena mezi dvě vrstvy oxidu křemičitého, čímž vykazuje vyšší vazebnou kapacitu částic. Jílovité minerály mají vyměnitelné kationty (částice s kladným nábojem). Vaznost a pevnost v tlaku hlíny závisí tedy právě na druhu a množství kationtů. [2]

3. Mechanické vlastnosti nepálené hlíny

3.1 Objemová hmotnost

Objemová hmotnost hlíny jako staviva se udává v rozmezí 1600 až 2000 kg/m³. U hlíny vylehčené organickými nebo anorganickými přísadami je mezi 1000 až 1600 kg/m³. [3] Lehčiva na jednu stranu vylepšují tepelně technické parametry hlíny, ale zároveň snižují její objemovou hmotnost a také pevnost v tlaku.

3.2 Vaznost

Vaznost je definována jako pevnost v tahu u nepálené hlíny v plastickém stavu. Vaznost závisí nejen na obsahu jílu, ale také na typu přítomných jílovitých minerálů. Jelikož je test vaznosti závislý na obsahu vody v hlíně, různé vzorky mohou být porovnávány, pouze pokud je obsah vody u všech vzorků stejný. Pro posouzení vaznosti nepálené hlíny byl vyvinut speciální test, kde mají vzorky tvar čísla 8. [4] Tento test hodnotí součet všech vazebných sil všech skupin jílovitých minerálů i celé struktury. Z každé testované hliněné směsi se vyrobí tři vzorky. Směs se naplní do připravené formy tvaru 8 a zhutní se. Vzorek se upevní do testovacího zařízení (obr. 4) a do spodní zavěšené nádoby se sype písek hmotnostním průtokem 750 g/min., dokud se vzorek nepřetrhne. Vaznost se vypočte jako hmotnost nasypaného písku dělená 5 cm² (plocha úseku vzorku). [2]

Obr. 4 Test vaznosti [4]

Tab. 1 Klasifikace hliněné směsi na základě testu vaznosti [4]
Hmotnost zátěže při přetržení v celém 5 cm² průřezu [g]	Zatížení při přetržení na plochu cm² [g/cm²]	Napětí [MPa]	Popis směsi
do 250	do 50	do 0,005	obecně nevhodná
≥ 250 až 400	≥ 50 až 80	≥ 0,005 až 0,008	velmi hubená
≥ 400 až 550	≥ 80 až 110	≥ 0,008 až 0,011	hubená
≥ 550 až 1000	≥ 110 až 200	≥ 0,011 až 0,020	mírně hubená
≥ 1000 až 1400	≥ 200 až 280	≥ 0,020 až 0,028	mírně tučná
≥ 1400 až 1800	≥ 280 až 360	≥ 0,028 až 0,036	tučná
> 1800	> 360	> 0,036	velmi tučná

Hodnoty vaznosti se odvozují z průměru tří vzorků, které se od sebe rozměrově neliší o více než 10 % a typicky se pohybují od 2,5 do 50 kPa. Po zjištění mezních hodnot vazebné síly vzorku může být hliněná směs klasifikována podle tabulky č. 1. Hodnoty testu navíc poskytují také první údaj o vhodnosti pro výrobu některých stavebních materiálů.

3.3 Pevnost v tlaku

Obr. 5a Zkouška pevnosti v tlaku hliněného vzorku [7]

Obr. 5b Zkouška pevnosti v tlaku hliněného vzorku [7]

Obr. 5 Zkouška pevnosti v tlaku hliněného vzorku [7]

Pevnost v tlaku hliněného stavebního materiálu závisí především na druhu hlíny, rozložení a velikosti zrn prachu, písku i většího kameniva a v neposlední řadě také na způsobu přípravy a zhutnění materiálu. Pevnost v tlaku je základním testem pro kontrolu kvality dusané hliněné konstrukce. Zkouška se provádí na válcích o průměru 150 mm a výšky 300 mm, ve kterých se před zkouškou vzorek hlíny zhutní. Válce se testují po sušení na stabilní vlhkost za podmínek okolního prostředí nebo při vytvrzování po určitou dobu, například 28 dní. [5] Hodnoty se získávají z maximálního zatížení (okamžiku, kdy vzorek selže) a počátečního průřezu. Pevnost v tlaku se pohybuje v rozmezí od 0,5 do 5 MPa. Obecně také platí, že pevnost v tlaku roste s objemovou hmotností materiálu. Například hliněné cihly lisované a homogenní konstrukce splňující požadavky pro nízkopodlažní výstavbu mají pevnost v tlaku 3–10 MPa, cihly s přídavkem slámy 1–3 MPa, hliněné omítky 1–3 MPa a hliněné malty 3 MPa. [6]

3.4 Pevnost v tahu

Hliněné konstrukce dosahují velmi nízkých hodnot při tahovém napětí. Pevnost v tahu za sucha je přibližně 10 % pevnosti v tlaku u nepálených cihel a 11 až 13 % u dusaných zdí. [2]

3.5 Pevnost v tahu za ohybu

Pevnost v tahu za ohybu má význam při posuzování kvality hliněné zdi a tuhosti okrajů hliněných cihel. Zkouška se provádí na hliněném bloku o rozměrech 400/150/150 mm a vždy se zkouší minimálně tři vzorky. Trám je podepřen po stranách a zatěžován shora ve dvou bodech. Pevnost v tahu za ohybu hliněného staviva závisí hlavně na obsahu jílu a typu obsažených jílovitých minerálů. Montmorillonitické hlíny mají mnohem vyšší pevnost v tahu než kaolinitické. Testy, které proběhly v Německu již před padesáti lety, vykazovaly u kaolinitu hodnoty 0,17 MPa, naopak nejvyšší dosáhla montmorillonitická hlína 21,9 MPa. Hlíny bez montmorillonitu vykazovaly pevnosti mezi 0,17 a 9,18 MPa.

3.6 Přilnavost

Obr. 6 Zkouška přilnavosti [2]

Přilnavost hliněného materiálu nebo také pevnost vazby je důležitá pouze u hliněných zdí. Záleží na drsnosti podkladu a na pevnosti v tahu za ohybu dané zdi. Standardní zkouška pro kontrolu pevnosti vazby (obr. 6) se provádí tak, že se dvě vypálené cihly spojí 2 cm tlustou hliněnou maltou, kdy je horní cihla otočená k dolní o 90 °. Po zaschnutí malty se horní cihla položí oběma konci na cihlovou podložku, zatímco na dolní cihlu se zavěsí nádoba, která se postupně plní pískem. Výsledná pevnost vazby se počítá jako váha spodní cihly a písku dělená plochou malty. To je však relevantní pouze v případě, že k selhání dojde na styku materiálů (malty a cihly), protože pokud k selhání dojde uvnitř malty, jedná se o pevnost v tahu malty, nikoliv o pevnost zdiva. [2]

3.7 Odolnost proti opotřebení

Hliněné povrchy jako hliněná zeď nebo podlaha jsou citlivé na oděr. Jednoduchou zkouškou pro zjištění odolnosti proti opotřebení je použití kovového kartáče zatíženého hmotností přibližně 5 kg, který se pohybuje po povrchu vzorku hlíny ze strany na stranu (obr. 7). Materiál, který se obrousí po určitém počtu cyklů, se zváží a porovná s ostatními vzorky. Na místo kovového kartáče lze také použít desku pokrytou pískovým papírem.

Obr. 7 Zkouška přilnavosti zatíženým kovovým kartáčem

Odolnost proti opotřebení u různých hliněných omítek dostupných na německém trhu [2]

3.8 Modul pružnosti

Dynamický modul pružnosti hlíny je obvykle mezi 5,88 a 8,33 GPa.

3.9 Odolnost rohů proti nárazům

Obr. 8 Zařízení pro měření odolnosti rohů hliněných cihel [2]

Při manipulaci s hliněnými cihlami se jejich rohy často vlivem mechanických nárazů ulamují. V praxi je tedy tento druh pevnosti také důležitý. Zkouška pro měření odolnosti rohů (obr. 8) probíhá tak, že se závaží se špičkou tvaru polokoule o průměru 30 mm spustí na povrch nakloněný pod úhlem 60 °, 10 mm od rohu. [2]

4. Závěr

Uvedené testy byly vybrány jako příklady zkoušení jednotlivých vlastností nepálené hlíny a mohou se lišit v různých zemích či laboratořích. U mechanických vlastností, kde hliněné stavivo ve své základní podobě nedosahuje dostatečných hodnot, je na místě použití vhodných přísad jako jsou vlákna či chemické přísady.

Základní přehled mechanických vlastností by mohl posloužit jako podklad pro další výzkum a stanovení mezních hodnot pro následnou tvorbu legislativy. Teprve, až budou garantována složení jednotlivých druhů nepálené hlíny a jejich pevnostní vlastnosti, bude možné tento materiál opět plnohodnotně používat v architektuře a přestane být vnímán širokou veřejností jako alternativní materiál.

Literatura

HOUBEN, Hugo a Hubert GUILLAUD. Earth construction – A comprehensive guide. B.m.: ITDG Publishing, 1994. ISBN 9781853391934.
MINKE, Gernot. Building with Earth: Design and Technology of a Sustainable Architecture. Birkhäuser [online]. 2007, 89–98. ISSN 9783764389925. Dostupné z: doi:10.1007/3-7643-7873-5.
ŽABIČKOVÁ, Ivana. Hliněné stavby. B.m.: ERA, 2003. ISBN 978-80-86517-21-6.
RÖHLEN, Ulrich a Christof ZIEGERT. Earth Building Practice: Planning – Design – Building [online]. B.m.: Beuth Verlag, 2011. ISBN 978-3410217374. Dostupné z:
https://books.google.cz/books?id=zZ2YrTY-0BoC&printsec=frontcover&hl=cs#v=onepage&q&f=false.
KEABLE, Rowland, Peter WALKER, Baron Walker of WORCESTER, V MANIATIDIS a Joe MARTIN. Properties of Rammed Earth. In: Rammed Earth: Design and Construction Guidelines. B.m.: BREPress, 2005, s. 99–110. ISBN 1-86081-734-3.
KARASOVÁ, Alena. Rekonstrukce hliněných staveb v regionu Haná. B.m., 2010. Brno University of Technology.
DAHMEN, Joe. Rammed earth – Laboratory testing [online]. Dostupné z: http://web.mit.edu/masonry/Rammed/testing.html.

English Synopsis

Review of the Mechanical Properties of Earthen Building Material

The mechanical properties of earthen building material have been intensively investigated for the last fifty years. Different earth mixtures are used for different building technologies, such as walls, bricks or plasters. Therefore, it is almost impossible to set a specific numerical value for a parameter in general. These values may vary significantly and are listed within range. The properties of each earth mixture are dependent on the clay content (type of clay minerals), filler, water and additives. Depending on the building technology several tests can be performed to determine the mechanical properties. This review article discusses mechanical properties of earth, the tests and limit values. These properties include density, binding force, compressive strength, tensile strength, bending tensile strength, bond strength, resistance to abrasion, modulus of elasticity and impact strength of corners.