Zkoušení a vlastnosti recyklovaného kameniva pro použití do betonu

1. Úvod

Využití upraveného stavebního a demoličního odpadu jako částečné náhrady za přírodní kamenivo šetří nejen přírodní zdroje, ale zároveň přispívá ke snížení množství stavebního odpadu na skládkách. Motivací pro použití recyklovaného kameniva však nejsou jen tyto uváděné výhody korespondující s cíli udržitelné výstavby, ale i jeho cena a dostupnost, která je v mnoha státech příznivější, než je tomu u kameniva přírodního. Evropská legislativa definuje vlastnosti recyklovaného kameniva a možnosti jeho použití do betonu v členských státech Evropské unie. Zároveň v některých státech vznikají normy upravující tyto požadavky pro potřeby daného regionu, a to hlavně z důvodu rozdílných vlastností recyklátu, které vznikají odlišnými stavebními a demoličními postupy. Mezi takovéto státy patří například Belgie, Německo, Nizozemí, Portugalsko a další.

V České republice se problematice využití recyklovaného kameniva do betonu věnují normy vycházející z Evropských norem a to především ČSN EN 12620+A1 [1], která uvádí seznam zkoušek kameniva do betonu a seznam norem, dle kterých se zkoušky provádějí (jde o stejné zkoušky jako pro kamenivo přírodní). Dále jde o normu ČSN EN 206-1/Z3 [2], kde jsou uvedeny požadavky na vlastnosti recyklovaného kameniva a typy betonu, do kterého je toho kamenivo možné použít.

2. Vybrané vlastnosti recyklovaného kameniva

Zkoušky kameniva, které jsou uvedeny v [1], jsou rozděleny do tří skupin na zkoušky geometrických, fyzikálních a chemických vlastností. Geometrické vlastnosti se zjišťují prosévací zkouškou, ze které je možné zjistit nejen čára zrnitosti, ale i podíl jemných částic a modul jemnosti. Další důležitou geometrickou vlastností recyklovaného kameniva je tvarový index, který ovlivňuje také návrh receptury betonu. Mezi fyzikální vlastnosti patří odolnost proti drcení, odolnost proti otěru, mrazuvzdornost, objemová hmotnost, nasákavost a další. Zkoušenými chemickými vlastnostmi je kupříkladu obsah alkálií, rozpustných sulfidů nebo celkové zastoupení různých stavebních materiálů v recyklátu.

3. Požadavky na recyklované kamenivo

Použití stavebního a demoličního odpadu jako kameniva do betonu [3] je dáno legislativou. Vlastnosti recyklovaného kameniva jsou ovlivněny zejména jeho složením, což je dáno především kvalitou demolice (demontáže), tj. dostatečné třídění a recyklace. Čím více druhů hmot, které se běžně vyskytují ve stavebním a demoličním odpadu, recyklát obsahuje, tím horší vlastnosti má recyklované kamenivo. Proto se většina norem zabývá klasifikací recyklovaného kameniva na základě složení, dle kterého pak rozděluje do několika typů. Rozlišení typů recyklovaného kameniva se v jednotlivých zemích mírně liší. Německá norma uvádí čtyři typy, portugalská tři a belgická a nizozemská pouze dva. Ve všech je však shodně uvedeno, že nejkvalitnější recyklované kamenivo tj. recyklované kamenivo typu 1 obsahuje více než 90 % betonové drti. Česká norma [2] povoluje použití jako kameniva do betonu pouze recyklované kamenivo typu 1, a to pro konstrukce, které nemusí odolávat vlivu prostředí (například mráz, chloridy apod.). Německá norma, ze které česká norma částečně vychází, umožňuje pro typ konstrukcí, který není ohrožen vlivem prostředí, nahradit až 45 % přírodního kameniva recyklovaným kamenivem typu 1. Další typy recyklovaného kameniva obsahující méně drceného betonu a více drcené stavební suti (keramika, cihelný střep a další) je též možné v jisté míře využívat pro stavební účely. Recyklát může v omezeném množství obsahovat také ostatní materiály vyskytující se ve stavebním odpadu, jako sklo, kovy, dřevo, plasty, papíry a další, těchto složek by však u žádného typu nemělo být víc než 1 % hmotnosti.

Stejně jako přírodní kamenivo musí vlastnosti jednotlivých typů recyklovaného kameniva splňovat požadavky norem, jako jsou objemová hmotnost, nasákavost, odolnost proti drcení, obsah jemných částic, obsah chloridů a sulfidů atd. Legislativa však některé požadavky na vlastnosti recyklovaného kameniva oproti přírodnímu kamenivu zmírňuje, je tomu tak především u nasákavosti kameniva, které je u recyklovaného kameniva několikanásobně vyšší a požadavky na běžné přírodní kamenivo, by tak nemohla splnit. Vybrané požadavky norem jsou souhrnně uvedeny v Tab. 1.

4. Vybrané vlastnosti recyklovaného kameniva

Vybrané vlastnosti, jejichž požadavky byly vypsány v předchozí kapitole, budou uvedeny v následujících podkapitolách. Zkoušky geometrických vlastností (prosévací zkouška) byly prováděny na třech vzorcích recyklovaného kameniva pocházejících z recyklačního střediska. Fyzikální vlastnosti byly zkoušeny na dvou vzorcích pocházejících z téhož. Pro odběr vzorků bylo vybráno středisko, kde je kladen důraz správný postup demolice a recyklace, tj. že již při demolici stavby byly vytříděny nevhodné materiály a následně došlo k dalšímu třídění i během samotné recyklace.

Pro porovnání byly stejnými metodami ověřeny vlastnosti laboratorně vyrobeného recyklovaného kameniva (RK Lab.) a přírodního kameniva (PK), aby porovnání bylo co nejpřesnější.

4.1. Složení recyklovaného kameniva

Složení recyklovaného kameniva se uvažuje jako jedna z chemických vlastností kameniva. Na vzorku se provádí identifikační test, kdy se rozdělí do jednotlivých skupin dle druhů hmoty. Tyto druhy jsou popsány v [2] a dělí se na beton a kamenivo, slinutá keramika, vápencový pískovec, ostatní minerální podíly (porézní cihelný střep, lehký beton, pórobeton, štuk, malta a další), asfalt a ostatní příměsi (sklo, keramika, plasty, guma, sádra, kovy, dřevo a další). Jednotlivé druhy hmot se po roztřídění zváží a podělí se celkovou váhou vzorku. Z této zkoušky se určuje, o který typ recyklátu jde, viz kapitola 3.

Na Obr. 3 a Obr. 4 jsou ukázány vzorky recyklovaného kameniva pocházející z recyklační linky.

Obr. 3 Recyklované kamenivo v recyklačním středisku

Obr. 4 Posuzovaný vzorek recyklovaného kameniva

Obr. 5 Procentuální zastoupení druhů hmot v recyklovaném kamenivu

Pro zjištění procentuálního zastoupení různých druhů hmot v recyklovaném kamenivu byly porovnávány dva vzorky recyklovaného kameniva (RK I a RK II) pocházejícího z recyklační linky a jedna frakce kameniva vyrobeného v laboratoři (RK Lab.). Vzorky byly zkoušeny pro frakce 0/20, 4/8 a 8/16 mm.

Z grafu (Obr. 5) lze vyčíst, že všechny zkoušené vzorky recyklovaného kameniva obsahovaly více než 97 % betonové drti, z čehož lze dle [2] toto kamenivo označit jako recyklát typu 1. Červenou linkou je znázornění splnění podmínek pro typ 1. Další složky obsažené v recyklátu jsou zanedbatelné.

4.2. Čára zrnitosti, obsah jemných částic a modul jemnosti

Geometrické vlastnosti kameniva vycházejí z prosévací zkoušky, která se provádí dle EN 933-1 [4], a kde je výstupem čára zrnitosti kameniva. Z výsledků je možné dopočítat zastoupení jednotlivých frakcí (požadavky normy [1]). Čáry zrnitosti (Obr. 1) porovnávají písek a přírodní kamenivo (PK) frakcí 4/8 a 8/20 mm a recyklované kamenivo (RK A, B a C) o frakci 0/20 mm. Prosévací test byl zkoušen pro tři různé vzorky recyklovaného kameniva.

Obsah jemných částic se vypočítá z výsledků prosévací zkoušky dle normy [4] jako poměr vah kameniva, které propadne všemi síty, tj. částice menší než 0,063 mm, k celkové váze vzorku.

Modul jemnosti se určuje dle normy [1] za použití šestičlenného souboru sít o velikosti ok 0,125 – 0,25 – 0,5 – 1,0 – 2,0 – 4,0 mm jako součet propadů těchto sít.

Obr. 1 Čára zrnitosti recyklovaného a přírodního kameniva

Obr. 2 Porovnání obsahu jemných částic a modulu jemnosti přírodního a recyklovaného kameniva

V grafu (Obr. 2) je porovnání objemu jemných částic a modulu jemnosti přírodního a recyklovaného kameniva.

Zobrazené čáry zrnitosti ukazují podobnost recyklovaného kameniva s přírodním kamenivem frakce 8/16 mm, což dokazuje, že recyklované kamenivo obsahuje převážně hrubou složku, a to přestože šlo o nesítovaný recyklát frakce 0/20 mm. Tuto skutečnost potvrzují i výpočty obsahu jemných částic a modulu jemnosti. Obsah převážně hrubých složek v recyklovaném kamenivu, je výhodou pro jeho další vlastnosti, jak bude ukázáno v následujících kapitolách.

4.3. Objemová hmotnost

Obr. 6 Porovnání objemových hmotností v nasyceném a suchém stavu recyklovaného a přírodního kameniva

Objemová hmotnost je jednou ze základních fyzikálních vlastností kameniva. Pro zjištění objemové hmotnosti byla použita pyknometrická metoda dle [5]. Byly zkoušeny tři druhy recyklátu (odpovídající vzorkům z kapitoly 4.1). Pro porovnání bylo stejným způsobem zkoušeno i přírodní kamenivo. Z výsledků pyknometrické metody byla dopočítána objemová hmotnost v plně nasyceném stavu (ρ_SSD), kdy jsou všechny póry během 24 hodin nasycené vodou a v suchém stavu (ρ_RD) po 24 hodinách v sušárně o teplotě 100 ± 5 °C. Všechny vzorky recyklovaného kameniva (Obr. 6) měly vyšší objemovou hmotnost, než požaduje norma [2]. Požadavek je v grafu znázorněn červenou linkou. V porovnání s přírodním kamenivem dochází k mírnému snížení objemové hmotnosti (asi o 15–20 %), což je dáno množstvím cementového tmelu na povrchu kameniva.

4.4. Nasákavost

Stejně jako objemová hmotnost byla nasákavost zjištěna za pomoci pyknometrické metody a dopočítána dle [5]. Recyklované a přírodní kamenivo (z předchozích kapitol) bylo po dobu 24 hodin v pyknometru ponořeno do vody, kdy došlo k plnému nasáknutí (Obr. 7), následně bylo osušeno na povrchu a zváženo a po dobu 24 hodin vysušeno v sušárně při teplotě 100 ± 5 °C (Obr. 8). Nasákavost byla dopočítána jako poměr hmotností plně nasyceného a vysušeného kameniva.

Obr. 7 Nasáknutí kameniva v pyknometru

Obr. 8 Vysušení kameniva v sušárně

Obr. 9 Porovnání nasákavosti recyklovaného a přírodního kameniva

Běžné přírodní kamenivo má nasákavost menší než 1 %, u některých typů vápenců může však nasákavost dosáhnout až 4 %. Recyklované kamenivo dosahuje vyšších hodnot nasákavosti (Obr. 9), a to z důvodu vyšší pórovitosti, která je způsobena hlavně cementovým tmelem na povrchu kameniva, dalšími druhy hmot obsaženými v recyklátu a také nasákavostí původního kameniva, jehož zdroj není znám. Toto je i důvodem toho, že je nasákavost vyšší u jemnějších frakcí (Obr. 9), což zvýhodňuje využívání hrubšího recyklovaného kameniva, jak bylo již zmíněno v kapitole 4.2. Rozdíl v porovnání s přírodním kamenivem je tak několikanásobný. Ke zhoršení došlo zejména kvůli obsahu cementu a vyšší pórovitosti, a to i u laboratorně vyrobeného recyklovaného kameniva. U této fyzikální vlastnosti tak dochází k největšímu zhoršení vlastností v porovnání s přírodním kamenivem a také k velkým rozdílům mezi jednotlivými vzorky recyklovaného kameniva. Proto, aby bylo možné toto kamenivo používat jako plnivo do betonu, došlo ve většině norem ke snížení požadavků na nasákavost, ale zároveň také k omezení možností využití.

5. Souhrn výsledků

Všechny doposud uváděné výsledky jsou v této kapitole souhrnně v tabulce (Tab. 2) porovnány s požadavky norem v jednotlivých státech (kapitola 3).

6. Závěr

Zkoušené vzorky dokazují, že kvalita demolice (demontáže) a recyklace stavebního a demoličního odpadu ovlivňuje kvalitu z něj vzniklého recyklátu. Pokud je kladen důraz na třídění a recyklaci, pak lze dosáhnout splnění požadavků v uvedených normách. Nejproblematičtější vlastností se jeví nasákavost, která pro jemné kamenivo dosahuje až desetinásobných hodnot oproti přírodnímu kamenivu, proto se jeví jako výhodnější používat hrubší frakce recyklovaného kameniva. Normy však počítají s možným zhoršením vlastností a umožňují tak, v omezeném množství a pro konkrétní konstrukce, recyklované kamenivo používat. Jde například o základové konstrukce, vnitřní nenosné konstrukce, podlahy. Čímž zle dosáhnout úspory přírodních zdrojů a zároveň zabránit přílišnému záboru půdy ke skladování stavebního a demoličního odpadu.

Poděkování

Příspěvek byl vypracován za finanční podpory projektu TA03010501 Optimalizovaný subtilní skelet pro energeticky efektivní výstavbu budov a studentské grantové soutěži SGS13/109/OHK1/2T/11 Doplňkové konstrukce z přírodních a recyklovaných materiálů pro lehké železobetonové skelety.

Literatura

• [1] ČSN EN 12620 + A1. Kamenivo do betonu. Praha: Český normalizační institut, 2008.
• [2] ČSN EN 206-1/Z3 Beton – část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda Změna 3. Beton – část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. místo neznámé, Česká republika: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2008.
• [3] De Brito, Jorge a Saikia, Nabajyoti. Recycled Aggregate in Concrete. London : Springer-Verlag, 2013. 978-1-4471-4539-4.
• [4] EN 933-1 Tests for geometrical properties of aggregates – Part 1: Determination of particle size distribution – Sieving method. Tests for geometrical properties of aggregates – Part 1: Determination of particle size distribution – Sieving method. Brussels, European Union: CEN, 1997.
• [5] EN 1097-6 Tests for mechanical and physical properties of aggregates – Part 6: Determination of particle density and water absorption,. Tests for mechanical and physical properties of aggregates – Part 6: Determination of particle density and water absorption,. Brussels, European Union: CEN, 2000.