Experimentální ověření vlastností recyklovaného cihelného kameniva
Zvyšující se množství stavebního a demoličního odpadu si získává pozornost výzkumných organizací, které se zabývají možnostmi využití těchto odpadů. Článek pojednává o možnosti využití cihelného kameniva ze stavebního a demoličního odpadu jako kameniva do betonu. Důraz je tedy kladen na základní vlastnosti samotného kameniva a na základě těchto výsledků je optimalizována vhodná receptura betonu s různou náhradou přírodního kameniva recyklovaným cihelným kamenivem. Zkoušky jsou v tomto příspěvku shrnuty do dvou kategorií – geometrické a fyzikální zkoušky.
1. Úvod
Tento článek se zabývá experimentálním ověřením recyklovaného cihelného kameniva (RCK) ze stavebního a demoličního odpadu (SDO). Využívané recyklované cihelné kamenivo je tvořeno převážně cihelnými a keramickými bloky, které pro frakci 4–8 mm tvoří nejméně 58 % a pro frakci 8–16 mm tvoří přibližně 50 %. Dalšími zastoupenými materiály jsou betony a malta (12–30 %) a nestmelené přírodní kamenivo (12–32 %). Recyklované cihelné kamenivo má nižší objemovou hmotnost, vyšší nasákavost a horší mrazuvzdornost v porovnání s přírodním kamenivem (PK). Na tyto vlastnosti je třeba brát ohled při následném návrhu receptury betonu.
Využití SDO, především pak recyklovaných cihel, začalo již po druhé světové válce. V posledních desetiletích je pak předmětem mnoha výzkumů prováděných po celém světě. Přestože jsou studie převážně věnovány možnostem použití recyklovaného betonového kameniva (RBK), Chen a kol. [1] zkoumal vlastnosti recyklovaného kameniva ze směsného SDO (beton, cihly a keramiky). Objemová hmotnost hrubého recyklovaného kameniva v nasyceném stavu klesla o 13 % v porovnání s přírodním kamenivem. U drobného recyklovaného kameniva došlo k poklesu o 15 %. Nasákavost hrubého recyklovaného kameniva dosahovala 5 až 7násobku nasákavosti hrubého přírodního kameniva, u drobného kameniva byla naměřena nasákavost 7krát a 10krát vyšší v porovnání s přírodním kamenivem. Přesné výsledky jsou uvedeny v tabulce (Tabulka 1).
V další studii Levy a Helene [2] ověřovali vlastnosti drobného a hrubého recyklovaného kameniva pocházejícího z betonové novostavby a rok staré zděné stěny. Pokles objemové hmotnosti RBK v porovnání s přírodním kamenivem byl 13 %. U RCK došlo k poklesu o 30 %. Nasákavost byla pro drobné kamenivo více než 10krát vyšší, u hrubé frakce byla naměřena 5násobná nasákavost v porovnání s přírodním kamenivem.
Další studie [3] se zabývá zkoušením vlastností drobné frakce RCK (0–5 mm). Objemová hmotnost byla v porovnání s pískem nižší a nasákavost byla 18krát vyšší (Tabulka 1).
| Zdroj | Typ kameniva | Původ kameniva | Objemová hmotnost (SSD) [kg/m3] | Objemová hmotnost (RD) [kg/m3] | Nasákavost [%] | Poznámky |
|---|---|---|---|---|---|---|
| [1] |
| Stavební suť z demolovaných konstrukcí | Hrubé: 2280 Drobné: 2190 | Hrubé: 7.54 Drobné: 10.37 | FM: 2.61 | |
| Hrubé: 2290 Drobné: 2260 | Hrubé: 5.04 Drobné: 7.22 | FM: 2.68 | |||
| [4] | Cihly | Hrubé: 2232 Drobné: 2496 | Hrubé: 11.5 Drobné: 14.0 | FM: 3.91 | ||
| [5] | Cihly | Keramické tvárnice, průmyslový odpad, dva zdroje (typ A a B) | Typ A: 2146 Typ B: 2233 | Typ A: 1805 Typ B: 1928 | Typ A: 15.81 Typ B: 18.91 | |
| [6] | Pálené cihly | Laboratorní drcené pálené cihly (CCB) | CCB: 2240 | CCB: 2040 | CCB: 10.2 | |
| [3] | FCRA | Demoliční odpad – suť | 2340 | 6.25 | ||
| FBRA | 2050 | 14.75 | ||||
| Drobné: | 2160±40 | 12.5 |
Ze studií [4–6] vyplývá, že při náhradě PK do 15 % nedochází ke ztrátě mechanických vlastností, ty byly patrné až při náhradě vyšší než 30 % [5]. Při náhradě 20 % dojde k poklesu pevnosti v tlaku o 11 % a při 50 % náhradě už jsou vlastnosti na 50 % v porovnání s běžným betonem [6]. Oproti tomu v jiné studii byla míra náhrady 100 %. Pro tyto vzorky byl naměřen pokles pevnosti v tlaku v porovnání s běžným betonem o 35 % a pokles modulu pružnosti byl až 50 % [4]. Obdobná studie ukázala pokles pevnosti v tlaku při 100% náhradě PK o 20–30 % a pokles modulu pružnosti o 30–40 %. Všeobecně lze říci, že největší rozdíl mezi běžným betonem a betonem s recyklovaným kamenivem je u modulu pružnosti.
Tento článek prezentuje shrnutí dosavadních laboratorních výsledků experimentálního ověření RCK. Na základě laboratorních výsledků experimentů byly navrženy a vybetonovány směsi, kde přírodní kamenivo bylo částečně či plně nahrazeno jemnou a hrubou frakcí RCK. Budou zkoušeny směsi s různým množstvím cementu a různým vodním součinitelem. Směs bude optimalizována dle výsledků laboratorních zkoušek, ohled bude brán zejména na zpracovatelnost, mechanické vlastnosti a mrazuvzdornost, aby byla vybrána receptura vhodná pro Konstrukční prvky pro pozemní stavby.
2. Materiály a metody
Tato kapitola popisuje zkoušený materiál, kterým bylo RCK ze SDO, které bylo upraveno a dodáno recyklačním střediskem.
Postupy zkoušení jednotlivých vlastností kameniva jsou uvedeny v normě ČSN EN 12620 + A1 Kamenivo do betonu [7]. Zkoušky kameniva jsou v těchto normách rozděleny do tří základních skupin, kterými jsou chemické zkoušky, geometrické zkoušky a fyzikální zkoušky. Většina z těchto vlastností musí být známa před použitím do betonu, protože ne každé kamenivo může být použito pro každý beton. Každá z těchto zkoušek má svou vlastní důležitou roli při návrhu a použití směsi.
Složení recyklovaného kameniva a jeho geometrické a fyzikální vlastnosti byly testovány podle českých norem.
2.1 Recyklované cihelné kamenivo
Jako výchozí materiál pro všechna měření bylo použito RCK ze SDO. Kamenivo bylo odebráno a dodáno recyklačním střediskem po úpravě technologie recyklační linky.
Kamenivo dodané v roce 2017 bylo dodáno ve třech navážkách, v:
- březnu – označení RCK 03/2017 (frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm),
- červnu – označení RCK 06/2017 (frakce 0–8 a 8–16+ mm),
- srpnu – označení RCK 08/2017 (frakce 0–8, 8–16+ mm)
Kamenivo v roce 2018 bylo dodáno ve dvou navážkách, v:
- únoru – označení RCK 02/2018 (frakce 0–8 a 8–16 mm),
- květnu – označení RCK 05/2018 (frakce 0–8 a 8–16 mm)
Kamenivo bylo v roce 2019 dodáno ve třech navážkách, v:
- dubnu – označení RCK 04/2019 (frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm), (Obrázek 1),
- červenci – označení RCK 07/2019 (frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm),
- prosinci – označení RCK 12/2019 (frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm)
Kamenivo bylo v roce 2020 dodáno v jedné navážce, v:
- dubnu – označení RCK 04/2020 (frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm).
Na kamenivu byl proveden identifikační test. Identifikační test ukazuje, že všechny frakce RCK jsou tvořeny převážně zdícími prvky, které pro frakci 4–8 mm tvoří nejméně 58 % a pro frakci 8–16 mm tvoří zdící prvky přibližně 50 %. Dalšími materiály, které jsou zastoupeny, jsou betony a malta a dále nestmelené přírodní kamenivo. Množství betonů se pohybuje mezi 12 a 30 % a nestmeleného přírodního kameniva pak mezi 12 a 32 %.
a) RCK AZS frakce 0–4 mm
b) RCK AZS frakce 4–8 mm
c) RCK AZS frakce 8–16 mm
Obrázek 1 Recyklované cihelné kamenivo použité pro betonáž vzorků z roku 2019
3. Výsledky a diskuse
Ověření vlastností kameniva bylo provedeno na kamenivu dodaném recyklačním střediskem. Kamenivo nebylo v laboratoři dále upravováno. Byly provedeny geometrické rozbory a fyzikální zkoušky kameniva.
3.1 Geometrické rozbory
3.1.1 Sítové rozbory
a) kamenivo frakce 0–4 mm
b) kamenivo frakce 4–8 mm
c) kamenivo frakce 8–16 mm
Obrázek 2 Sítový rozbor RCK (2019)
Graf 1 Hmotnostní propad na jednotlivých sítech pro RCK frakcí 0–4 mm
Graf 2 Hmotnostní propad na jednotlivých sítech pro RCK frakcí 4–8 mm
Graf 3 Hmotnostní propad na jednotlivých sítech pro RCK frakcí 8–16 mm
3.1.2 Obsah jemných částic v recyklovaném kamenivu
Na vzorcích RCK všech frakcí byl ze sítových rozborů vyhodnocen obsah jemných částic (částice, které propadnou sítem 0,063 mm). Výsledné hodnoty byly porovnány (Tabulka 2 a Graf 4).
| Druh kameniva | Obsah jemných částic [%] | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| f [%] | σ [%] | |||||
| 0–4 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | 0–4 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| RCK 03/2017 | – | 0,40 | 0,35 | – | 0,10 | 0,00 |
| RCK 06/2017 | 1,70 | 0,60 | 0,60 | 0,25 | 0,10 | 0,10 |
| RCK 08/2017 | 1,00 | 0,40 | 0,30 | 0,30 | 0,05 | 0,05 |
| RCK 08/2017 | 1,50 | 0,70 | ||||
| RCK 02/2018 | 4,00 | 1,20 | 1,00 | 0,15 | ||
| RCK 05/2018 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,00 | ||
| RCK 04/2019 | 5,1 | 1,2 | 0,5 | 1,1 | 0,1 | 0,1 |
| RCK 07/2019 | – | 1,2 | 0,6 | – | 0,3 | 0,1 |
| RCK 12/2019 | 1,3 | 0,4 | 0,3 | 0,03 | 0,03 | 0,00 |
| RCK 04/2020 | 2,9 | 0,4 | 0,7 | 0,03 | 0,05 | 0,06 |
Graf 4 Obsah jemných částic cihelného recyklovaného kameniva
Porovnání obsahu jemných částic ukazuje pro frakci 0–4 mm výrazně vyšší podíl než pro frakce 4–8 a 8–16 mm. Výjimku tvoří RCK 05/2018, tento typ kameniva má ve všech frakcích nejnižší podíl jemných částic. Výsledky hrubé frakce (4–8 a 8–16 mm) ukazují většinu typů kameniva téměř shodné hodnoty, zejména pak u frakce 8–16 mm, kde se mírně vychyluje pouze RCK 02/2018. Tento druh kameniva má výrazně nejvyšší podíl jemných částic téměř ve všech frakcích, výjimkou je frakce 0–4 mm, kde je nejvyšší podíl u RCK 04/2019.
3.2 Fyzikální vlastnosti
3.2.1 Stanovení objemové hmotnosti kameniva
Dle normy ČSN EN 12620 + A1 (2008) je třeba zjistit objemovou hmotnost u kameniva, které má být použito jako kamenivo do betonu. Ke zjištění objemové hmotnosti uvedených vzorků recyklovaného a přírodního kameniva byla použita pyknometrická metoda dle ČSN EN 1097-6 [5], ze které je možné dopočítat objemovou hmotnost plně nasyceného (SSD) a vysušeného kameniva (RD). Zkouška byla provedena pro oba typy hrubého RCK frakcí 4–8 a 8–16 mm.
V tabulce (Tabulka 3) a v grafu (Graf 5) jsou uvedeny průměry z naměřených hodnot objemové hmotnosti vysušeného kameniva (RD) včetně směrodatných odchylek.
| Druh kameniva | Objemová hmotnost [kg/m3] | |||
|---|---|---|---|---|
| Frakce | σ | |||
| 4–8 mm | 8–16 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| RCK 03/2017 | 1941 | 1941 | 31 | 26 |
| RCK 06/2017 | 1933 | 2043 | 50 | 43 |
| RCK 08/2017 | 1974 | 1953 | 34 | 41 |
| RCK 02/2018 | 1862 | 2162 | 54 | 78 |
| RCK 05/2018 | 2035 | 2083 | 67 | 36 |
| RCK 04/2019 | 2015 | 2020 | 33 | 51 |
| RCK 07/2019 | 2000 | 2110 | 37 | 23 |
| RCK 12/2019 | 2050 | 1990 | 11 | 11 |
| RCK 04/2020 | 1920 | 2130 | 12 | 8 |
Graf 5 Objemová hmotnost zkoušených vzorků RCK
Všechny zkoušené druhy kameniva splňují požadavek norem [7, 8] pro recyklované kamenivo typu B, jako kamenivo do betonu (objemová hmotnost větší než 1700 kg/m3). Rozdíly objemové hmotnosti mezi téměř všemi typy RCK jsou maximálně 5 % (což lze považovat za hodnotu rozdílu, který by neměl mít zásadní vliv na výsledky dalších testů). Větší rozdíl tvoří pouze jeden typ kameniva, a to RCK 02/2018, kde byl podstatnější rozdíl mezi jednotlivými frakcemi, 1862 kg/m3 (4–8 mm) a 2162 kg/m3 (8–16 mm).
3.2.2 Stanovení nasákavosti kameniva
Pro měření nasákavosti byla také použita pyknometrická metoda. Jednotlivé vzorky byly v průběhu 24 hodin, pravidelně váženy, aby bylo možné zjistit průběh nasákavosti v čase a po 24 hodinách. Dále byly vyjmuty z pyknometrů a vysušeny v sušárně. Výsledné nasákavosti porovnávaných druhů kameniva jsou v následující tabulce a grafu (Tabulka 4 a Graf 6).
a) frakce 4–8 mm
b) frakce 8–16 mm
Obrázek 3 Zkouška nasákavosti a objemové hmotnosti RCK pyknometrickou metodou (RCK 2019)
| Druh kameniva | Nasákavost [%] | |||
|---|---|---|---|---|
| Frakce | σ | |||
| 4–8 mm | 8–16 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| RCK 03/2017 | 12,8 | 11,3 | 0,3 | 0,7 |
| RCK 06/2017 | 13,2 | 10,7 | 0,9 | 0,3 |
| RCK 08/2017 | 13,8 | 11,9 | 0,5 | 0,4 |
| RCK 02/2018 | 14,7 | 12,1 | 0,6 | 0,4 |
| RCK 05/2018 | 11,6 | 10,5 | 0,4 | 0,4 |
| RCK 04/2019 | 12,42 | 11,00 | 0,85 | 0,63 |
| RCK 07/2019 | 11,47 | 9,91 | 0,13 | 0,25 |
| RCK 12/2019 | 10,6 | 10,6 | 0,38 | 1,07 |
| RCK 04/2020 | 12,4 | 7,8 | 0,70 | 0,48 |
Graf 6 Nasákavost zkoušených vzorků kameniva po 24 hodinách
Výsledky zkoušky nasákavosti ukazují, že nasákavost RCK frakce 4–8 mm se pohybuje mezi 10,6 a 14,7 % a nasákavost frakce 8–16 mm se pohybuje mezi 7,8 a 12,1 %. Nasákavost recyklovaného kameniva z recyklačního střediska dosahuje rozdílu max. 28 % pro frakci 4–8 mm a max. 35 % pro frakci 8–16 mm zkoušeného kameniva.
3.2.3 Stanovení mrazuvzdornosti
Mrazuvzdornost recyklovaného kameniva byla zkoušena v souladu s normou ČSN EN 1367-1, která řeší metodiku zkoušení pro stanovení odolnosti proti zmrazování a rozmrazování. Vyhodnocení zkoušky bylo provedeno podle normy ČSN EN 12620+A1, která specifikuje 4 kategorie odolnosti podle procent ztrát hmotnosti.
Mrazuvzdornost RCK byla zkoušena pro jeden typ kameniva v letech 2017,2018 a 2019. Porovnány jsou tedy mrazuvzdornosti kameniva RCK 08/2017, RCK 02/2018 a RCK 04/2019. Výsledné mrazuvzdornosti porovnávaných druhů kameniva jsou v následující tabulce a grafu (Tabulka 5 a Graf 7).
| Druh kameniva | Mrazuvzdornost [%] | |||
|---|---|---|---|---|
| Frakce | Vyhodnocení dle normy | |||
| 4–8 mm | 8–16 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |
| RCK 08/2017 | 9,2 | 12,9 | fdeklarované | fdeklarované |
| RCK 02/2018 | 10,0 | 20,4 | fdeklarované | fdeklarované |
| RCK 04/2019 | 1,9 | 8,3 | f2 | fdeklarované |
Graf 7 Mrazuvzdornost zkoušených vzorků kameniva po 24 hodinách
3.3 Diskuse výsledků RCK
Provedené zkoušky ukazují tyto závěry:
- Zrnitostní křivky ukazují, že:
- Zkoušené vzorky hrubého RCK ukazovaly podobný průběh; odpovídají požadavku normy na zrnitost kameniva.
- Podíl jemných částic RCK je vyšší zejména u kameniva 0–4 mm, částečně i 4–8 mm. V hrubé frakci 8–16 mm se podíl jemných částic shoduje pro téměř všechny typy kameniva.
- Objemová hmotnost RCK je nižší než u běžného přírodního kameniva. Objemové hmotnosti RCK dvou typů (navážek) se liší zejména u RCK 02/2018. Všechny typy kameniva však splňují požadavek norem [7, 8] pro kamenivo typu B, který je 1700 kg/m3.
- Nasákavost RCK je vyšší než u běžného přírodního kameniva. Důvodem je především vyšší pórovitost, a tím i nasákavost cihly, která tvoří více než 50 % RCK. Nasákavost všech RCK typů (navážek) se liší u frakce 4–8 mm maximálně o 28 %, u frakce 8–16 mm maximálně o 35 %.
- Srovnáním výsledků z experimentálního zkoušení kameniv z let 2017, 2018, 2019 a 2020 se ukázalo, že úpravou recyklační technologie došlo k ustálení vlastností RCK.
4. Závěr
Tento článek se zabývá vyhodnocením experimentálního zkoušení vlastností několika typů recyklovaného cihelného kameniva (RCK) z let 2017, 2018, 2019 a 2020, které pochází ze stavebního a demoličního odpadu. V příspěvku jsou publikovány vlastnosti kameniva, které jsou podstatné pro výběr vhodných typů kameniva k použití do betonu. Byl proveden ID test, z fyzikálních vlastností byla zkoušena objemová hmotnost a nasákavost, z geometrických vlastností byl proveden sítový rozbor a zkoumán byl podíl jemných částic. Z trvanlivostních charakteristik byla ověřena mrazuvzdornost jednotlivých druhů kameniva (jeden typ z roku 2017, 2018, 2019 a 2020). Cílem bylo nalézt optimální variantu kameniva pro optimalizaci betonové směsi.
Poděkování
Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a MPO TRIO FV 10397 – RENCO Recyklovaný environmentální beton pro stavební konstrukce.
Reference
- Chen H-J, Yen T, Chen K-H. Use of building rubbles as recycled aggregates. Cement and Concrete Research 2003; 33: 125–132.
- Levy SM, Helene P. Durability of recycled aggregates concrete: a safe way to sustainable development. Cement and Concrete Research 2004; 34: 1975–1980.
- Khatib JM. Properties of concrete incorporating fine recycled aggregate. Cement and Concrete Research 2005; 35: 763–769.
- Debieb F, Kenai S. The use of coarse and fine crushed bricks as aggregate in concrete. Construction and Building Materials 2008; 22: 886–893.
- Cachim PB. Mechanical properties of brick aggregate concrete. Construction and Building Materials 2009; 23: 1292–1297.
- Yang J, Du Q, Bao Y. Concrete with recycled concrete aggregate and crushed clay bricks. Construction and Building Materials 2011; 25: 1935–1945.
- ČSN EN 12620+A1 Kamenivo do betonu.
- ČSN EN 206+A1 Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda.
The increasing amount of construction and demolition waste is gaining the attention of research institutes that deal with the possibilities of using this waste. This article deals with the possibility of using masonry aggregate from construction and demolition waste in concrete samples. The most important are the properties of the aggregate as follows a suitable concrete recipe optimization with various number of replacements of natural aggregates with recycled masonry aggregates. The experiments in this paper are summarized in two categories - geometric and physical experiments.