Mechanické vlastnosti dusané hlíny
Dusání nepálené hlíny je tradiční technologie výstavby konstrukcí, ke které se moderní stavitelství navrací. Je to zejména díky tomu, že se jedná o přírodní materiál, který splňuje principy trvale udržitelného rozvoje - nízké uhlíkové emise, minimalizace znečištění, minimalizace odpadů, použití neškodných materiálů, využití místních zdrojů, lokálnost a dostupnost hlíny jako stavebního materiálu, velmi dobrá tvárnost a zpracovatelnost. Článek se věnuje metodám dusání, výrobě vzorků pro testování, návrhu složení hliněné směsi, zkouší se pevnost v tlaku, pevnost v tlaku za ohybu, nasákavost, odolnost ve stojaté vodě a variabilita zkoušených dusaných hlín.
Jedním ze základních způsobů zpracování nepálené hlíny je dusání. Dusaná hlína je ve většině případů používána pro nosné konstrukce, a proto je znalost jejích mechanických vlastností zásadní. Mechanické vlastnosti dusané hlíny závisejí na jejím složení – poměr písku a jílu, druh jílu a množství záměsové vody. Příspěvek se věnuje provedeným experimentálním měřením, zaměřených na zjišťování mechanických vlastností dusané hlíny. Mezi materiálové vlastnosti můžeme zařadit pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu. V první části článku je popsán způsob zjištění tlakové pevnosti a postup přípravy těles pro tento typ testu určených. Druhá část je tvořena popisem metodiky určení pevnosti v tahu za ohybu a vyplývajících vlastností, které je možno z této zkoušky určit. Mimo mechanických vlastností je pozornost zaměřena na změny vlhkosti v dusané hlíně. V závěrečné části je představen rozsah materiálové variability zkoušených dusaných hlín.
1. Úvod
Celosvětové odhady hovoří o tom, že přibližně třetina lidstva bydlí v obydlích, kde hlavní nosnou konstrukci tvoří nepálená hlína. V rozvojových zemích se jedná dokonce o více než polovinu obyvatel využívajících tento typ obydlí. Tyto stavby se vyskytují v různých přírodních podmínkách, jedná se jak o tradiční stavby s historickým kontextem, tak i o stavby zcela nové a moderní. Myšlenka moderních staveb z hlíny však vyvolává spoustu otázek ohledně vlastností hlíny a to především o jejích mechanických vlastnostech.
Hliněná architektura je stejně stará jako první lidská sídla. Nejstarší hliněné stavby jsou doloženy už před více než 9000 lety př. n. l. Celá století byla hliněná obydlí zdokonalována na všech kontinentech, v nejrůznějších klimatických podmínkách. Různé klimatické, kulturní a sociální podmínky daly za vznik rozsáhlé škále forem hliněné architektury. Tento článek se konkrétně věnuje dusané nepálené hlíně.
Hliněné stavitelství odpovídá myšlence trvale udržitelného rozvoje. Z tohoto hlediska patří mezi důležité vlastnosti nízké uhlíkové emise, účinné využití znovu obnovitelných zdrojů, minimalizace znečištění, minimalizace tvorby odpadů, použití neškodných materiálů, využití místních zdrojů a biodegradace. Dalšími pozitivními vlastnostmi je lokálnost a dostupnost hlíny jako stavebního materiálu, velmi dobrá tvárnost a zpracovatelnost, absorpce škodlivých a nepříjemných pachů a alergenů z prostředí, absorpce a deabsorpce vodní páry, čímž je zajištěna příhodná vlhkost v objektech. Nezanedbatelnou vlastností je také velice atraktivní vzhled dusané konstrukce, který můžeme vidět na obrázku č. 1 [1, 2, 4, 5, 6, 7].
![Obr. 1a: Příklad moderní budovy z dusané hlíny: turistické centrum ve Wyomingu [6]](/docu/clanky/0180/018094o1.jpg)
![Obr. 1b: Příklad moderní budovy z dusané hlíny: rodinný dům v Novém Mexiku [7]](/docu/clanky/0180/018094o3.jpg)
Obr. 1: Příklad moderní budovy z dusané hlíny: vlevo turistické centrum ve Wyomingu a vpravo rodinný dům v Novém Mexiku [6, 7]
Na obrázku č. 2 je ukázána hodnota spotřeby primární energie (anglický název primary energy impact value – PEI), což je vázaná energie udávající celkovou spotřebu přírodních zdrojů energie během životního cyklu výrobku. Hodnota nepálené hlíny se pohybuje okolo 30 kWh/m3, pro beton má PEI ukazatel hodnotu 475 kWh/m3, což je přibližně 16× více [3].
![Obr. 2: Porovnání ukazatele PEI pro různé stavební materiály [3]](/docu/clanky/0180/018094o5.png)
Obr. 2: Porovnání ukazatele PEI pro různé stavební materiály [3]
Avšak jako každý materiál má i nepálená hlína své nevýhody. Jednou z nejdůležitější vlastností hlíny, jako stavebního materiálu, jsou její mechanické vlastnosti. V tomto směru mají projektanti ztíženou situaci, protože k uvedeným vlastnostem neexistují normy, které by vytvářely podpůrný nástroj bezpečného navrhování. Vlastnosti hlíny závisejí na místě naleziště a vzájemném poměru jílu, jemných částic, písku a dalších částic. Vlastnosti se tedy liší místně, a příprava konkrétní směsi se tak liší. Často může být nutno směs upravit různými příměsemi, aby byla zajištěna stabilita směsi. Během procesu vysychání, což je zpevňující proces hlíny, dochází v důsledku odpařování k smršťování, jehož hodnota závisí na velikosti vodního součinitele či druhu a množství jílu, a kterou lze upravit optimalizací velikosti zrn písku a použitím příměsí [1, 2, 4, 5].
2. Metoda dusání
Obr. 3: Princip dusání nepálené hlíny do bednění
Jak již bylo zmíněno, článek se zabývá nepálenou dusanou hlínou. Pro správné pochopení problematiky je zapotřebí představit techniku dusání. Princip je znázorněn na obrázku č. 3. V prvním kroku je vystavěno posuvné bednění (většinou dřevěné) a do něj je nasypána první vrstva vlhké hliněné směsi. Tato vrstva je následně zhutněna buď ručním, nebo pneumatickým dusadlem. Poté je do bednění nasypána další vrstva a zhutněna. Přidávání vrstev pokračuje, až je naplněné celé bednění. Po udusání poslední vrstvy je odstraněno bednění a je tak odkryta zeď s viditelnými vrstvami hlíny. Po vyschnutí je výsledkem tvrdá monolitická konstrukce.
3. Základní myšlenka a cíle prováděného výzkumu
Všechny námi provedené experimenty jsou realizovány na zkušebních tělesech, která jsou zhotovena z laboratorně vyrobené hliněné směsi. Hliněná směs je vyrobena ze tří základních komponent, kterými jsou písek plnící funkci plniva, jíl plnící funkci pojiva a vody, která slouží k aktivaci pojivých vlastností jílu a vyjadřujeme ji pomocí vodního součinitele (poměru vody k jílu).
Jsme si vědomi, že složení přírodní hlíny je značně různorodější. Důvod, proč jsme se na začátku našeho výzkumu rozhodli provádět experimentální měření na uměle vyrobeném materiálu je ten, že dle našeho názoru je pro rozšíření hliněného stavitelství ve stavebnictví nutné zanalyzovat vlastnosti nepálené hlíny do té míry, aby bylo možné s dostatečnou jistotou zaručit, při daném složení hliněné směsi, vlastnosti výsledného produktu. Pro splnění takto ambiciózního cíle je nutné začít na co nejjednodušších hliněných směsích s co nejmenším počtem okrajových podmínek, které by mohly výsledky měření ovlivnit. Z toho důvodu se námi testované materiály liší pouze množstvím použitého jílu, druhem použitého jílu, nebo množstvím záměsové vody.
4. Výroba vzorků pro testování
4.1 Návrh složení hliněné směsi
Hliněné směsi, jejichž vlastnostmi se zabýváme, jsou vždy vyrobeny z definovaného druhu a množství jílu, tomu příslušného množství záměsové vody a plniva – písku. Množství záměsové vody je definováno pomocí vodního součinitele, tedy jako poměr vody a jílu (pojiva).
Jíly, které pro výrobu hliněné směsi používáme, jsou illitické, illiticko-kaolinitické, nebo montmorilonitické. Množství použitého jílu se pohybuje od 15 do 30 %. Vodní součinitel se pohybuje od 0,295 do 0,4.
4.2 Výroba vzorků
Po navržení směsi je na řadě samotná výroba vzorků. Naváží se přesné množství všech složek dle receptury a poté se přejde k samotné výrobě. Nejprve se do mísící nádoby umístí písek a k němu jsou přility přibližně 2/3 záměsové vody, směs je řádně promíchána. Poté je k vlhkému písku přidán jíl, opět je směs promíchána a nakonec je přilita zbylá 1/3 záměsové vody. Směs je promíchána mechanicky a na závěr ručně prohnětena. Takto připravená směs může již být použita pro výrobu vzorků.
Vzorky jsou vyráběny ve dvou velikostech. Větší tělesa o rozměrech 40×40×160 mm jsou používána pro zkoušky tahové pevnosti za ohybu a pro testování vlhkostních parametrů. Menší tělesa o rozměrech 20×20×100 mm jsou požívána pro zkoušky tlakové pevnosti a pro určení rychlosti vysychání.
Pro výrobu vzorků je místo dřevěného bednění užíváno přesných ocelových forem, které jsou před použitím vymazány olejem. Do vymazané formy je poté výše zmíněným způsobem dusána hlína. Na obrázku č. 4 je vidět výrobu vzorků v laboratoři.
Obr. 4: Výroba vzorků z dusané hlíny pro zkoušení mechanických vlastností
5. Pevnost v tlaku
Měření pevnosti v tlaku fc bylo prováděno na elektromechanickém zkušebním stroji MTS Aliance RT30kN se vzorky o velikosti 20×20×100 mm. Na obrázku 5 vlevo je fotografie z průběhu zkoušení těles v tlaku. Během zkoušky byla měřící aparaturou zaznamenávána působící síla a deformace tělesa, z těchto výsledků je možné sestavit pracovní diagram (závislost síly F na deformaci δ) a vyhodnotit pevnost tělesa v tlaku.
Obr. 5: Vlevo – zkoušení pevnosti v tlaku, vpravo – zkoušení pevnosti v tahu za ohybu
6. Pevnost v tahu za ohybu
Měření pevnosti v tlaku ft bylo prováděno opět s elektromechanickým strojem na vzorcích o velikosti 40×40×160 mm. Na obrázku 5 vpravo je zachycena zatěžovací fáze při provádění zkoušky. Zaznamenávání zkoušky probíhá obdobně jako u testu v tlaku, měřící aparatura zaznamenává působící sílu a deformaci tělesa. Z výsledků je možné vyhodnotit pevnost tělesa v tahu za ohybu a část pracovního diagramu v tahové oblasti.
Z naměřených dat je dále možné, kromě výše zmíněných pevností, vyhodnotit složením celkový pracovní diagram pro jednotlivé směsi, tzn. chování materiálu v tlaku a v tahu za ohybu. Dalším vyhodnocovanou veličinou je Youngův modul pružnosti E pro konkrétní recepturu a hodnota lomové houževnatosti materiálu GF.
7. Vlhkostní vlastnosti
7.1 Nasákavost
Další prováděnou zkouškou je test nasákavosti, ze kterého je vyhodnocován koeficient absorpce vody a určována maximální kapilární kapacita. Na obrázku č. 6 je znázorněno schéma provádění zkoušky. Vyrobená tělesa jsou po 28 dnech od výroby převážena a změřena, uložena do obalu z měkké polyamidové textilie. Vzorky jsou poté uloženy na navlhčenou polyuretanovou pěnu, aby byl zajištěn rovnoměrný přístup vlhkosti na celou plochu tělesa, a zároveň aby vlhkost nemohla pronikat bočními stranami. Tělesa jsou pravidelně převažována, první den v intervalu jedné hodiny, poté po dnech.
7.2 Odolnost ve stojaté vodě
Dalším provedeným testem je odolnost materiálu ve stojaté vodě. Tělesa jsou uchycena v horní části, a umístěna do nádoby tak, aby se nedotýkala stěn. Následně je nádoba naplněna vodou do takové úrovně, aby spodní část těles byla ponořena 50 mm pod hladinou vody. Následně je měřen čas, za který dojde k rozpadu těles. Tento ukazuje míru použitelnosti materiálu v externím prostředí s klimatickými podmínkami, tzn. vystavení vodě.
Obr. 6: Vlhkostní vlastnosti: vlevo – schéma zkoušení nasákavosti, vpravo – zkouška odolnosti ve stojaté vodě
8. Variabilita zkoušených dusaných hlín
Zkoušená tělesa jsou vyráběna z různých hliněných směsí. Složení směsí je variabilní ve třech následujících bodech:
- typ jílu – illiticko-kaolinitický (směsi S a KR), illitický (směs AGL) a montmorillonitický (směs GEM),
- hmotnostní poměr písku a jílu,
- hodnota vodního součinitele (hmotnostní poměr vody a jílu).
Autoři předpokládají, že vzhledem k rozdílnému složení různých typů jílů, a pro rozdílné jíly se budou lišit hodnoty mechanických vlastností výsledného materiálu. Základní typy jílu jsou znázorněny na obrázku č. 7. Dále se směsi liší v poměru písku a jílu, tento procentuální poměr byl volen od 75 do 85 % písku, a k tomu adekvátní množství jílu 15–25 %. Poslední proměnou ve směsích je hodnota vodního součinitele. Vodní součinitel je uvažován jako hmotnostní poměr záměsové vody k pojivu – tedy jílu. Hodnoty vodního součinitele se pohybují v rozmezí 0,250–0,450. Na obrázku č. 8 je v trojúhelníkovém diagramu naznačeno procentuální zastoupení jednotlivých složek v dané receptuře (písek : jíl : voda = 100 %).
Obr. 7: Rozdíl ve složení různých druhů jílů
Jak bylo naznačeno, variabilita receptur je značná, zároveň výroba i malých těles je poměrně náročná. Bylo by vhodné vytvořit na základě naměřených experimentálních dat numerický model metodou konečných prvků a díky modelu simulovat chování skutečných konstrukcí z dusané nepálené hlíny.
Obr. 8: Složení hliněných směsí vyjádřené v hmotnostních procentech zastoupení jednotlivých složek
9. Závěr
Dusání nepálené hlíny je tradiční technologie výstavby konstrukcí, ke které se moderní stavitelství navrací. Je to zejména díky tomu, že se jedná o přírodní materiál, který splňuje principy trvale udržitelného rozvoje – nízké uhlíkové emise, minimalizace znečištění, minimalizace odpadů, použití neškodných materiálů, využití místních zdrojů, lokálnost a dostupnost hlíny jako stavebního materiálu, velmi dobrá tvárnost a zpracovatelnost.
Avšak velká nevýhoda spočívá v tom, že neexistují ucelené soubory dat či normy, které by vypovídaly o mechanických vlastnostech tohoto materiálu. Návrh konstrukce z dusané hlíny lze v praxi činit pouze díky získaným zkušenostem z praxe. Do budoucna směřuje naše práce k vytvoření datové základny, pomocí níž bude možné popsat chování řešeného matriálu a konstrukcí dusané hlíny. Tímto způsobem by bylo možné rozšířit využití nepálené hlíny širší komunitou projektantů a stavitelů.
Poděkování
Autoři děkují za poskytnutí finančních prostředků Fakultě stavební ČVUT v Praze (SGS project No. SGS18/106/OHK1/2T/11).
Literatura
- Minke, G., Building with Earth - Design and Technology of Sustainable Architecture. Berlin, 2006 pp. 11–18, 158–160.
- Žabičková, I., Hliněné stavby. Brno, 2002. pp. 5–14.
- Schroeder, H.: Moisture transfer and change in strength during the construction of earthen buildings. Informes de la Construcción, Vol. 63, n.º 523, 2011, pp. 107–116.
- Wolskill, L. A., Dunlap, W. A. – Gallaway, B. M.: Handbook For Building Homes of Earth. s. 81–113.
https://pdf.usaid.gov/pdf_docs/PNAAE689.pdf. - Norton, J.: Building with Earth, A Handbook. Berlin, 2006. s. 24–44. ISBN 978-3-7643-7477-8.
- Reck, R. Rammed-Earth Construction Gets Luxury Makeover, 2015.
- SIREWALL. SIREWALL Inspiration Kit, 2017.
The ramming is one of the basic ways how to build a construction with unfired earth. Rammed earth is mostly used for bearing constructions and therefore it is important to know its mechanical properties. The mechanical properties depends on composition of the mixture that means the ration between used sand and clay, a type of used clay and the amount of mixing water. The article is focused on methods how to determine mechanical properties of unfired rammed earth. The compressive strength and tensile strength in bending can be classed among mechanical properties. The methods of measuring compressive strength, producing and preparing specimens for testing are described in the first part of paper. The second part describes tests of tensile strength in bending and resulting properties from the test. Besides mechanical properties the attention is focused on the changes of wetness in rammed earth. The material variability of tested rammed earth mixtures is presented in the final part. The experimental measurements were realized in laboratories of Department of Mechanics by autors of this article.